基于PSR模型的耕地生態安全評價及時空格局演變

趙柯, 李偉芳, 毛菁旭, 寇相瑋, 尹昌霞

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基于PSR模型的耕地生態安全評價及時空格局演變

趙柯, 李偉芳*, 毛菁旭, 寇相瑋, 尹昌霞

寧波大學地理與空間信息技術系, 寧波 315211

耕地的生態安全關系到區域的可持續發展, 針對耕地生態安全現狀, 以寧波市南郊小尺度區域為研究對象, 基于人與耕地的相互作用機理, 通過改進的PSR模型從而構建出適用于研究區域的評價體系, 采用熵權法和綜合評價法, 對2005—2014年間寧波市南郊的耕地生態安全狀況進行評價分析, 結果表明: (1)從時間尺度上看, 2005—2014年寧波市南郊耕地生態安全經歷了“較安全—臨界安全—較不安全—安全”的變化階段。(2)從空間尺度上看, 各鄉鎮街道耕地生態安全狀況存在著明顯的區域性差異。西部地區整體水平較高, 東部地區次之, 其中東部以北最低; 2005—2014年寧波市南郊生態安全指數變化較小; 寧波市南郊生態安全指數呈現顯著的空間集聚性, 高—高聚類顯著性較弱, 低—低聚類顯著性較強。

耕地生態安全; PSR模型; 時空演變; 寧波市南郊

0 前言

人類賴以生存的物質基礎是建立在耕地資源基礎上的, 耕地資源具有多種功能, 是土地資源中最重要的組成部分。耕地生態安全則是區域可持續發展的保障, 與社會發展息息相關。經過人類長期干預, 耕地生態系統已演變成高度耦合的社會—經濟—生態復合系統[1–2]。近年來, 隨著城鎮化的快速發展, 對土地資源的需求量日益增加, 尤其是對耕地資源影響的程度愈發強烈, 耕地利用的生態安全問題逐漸凸顯。

耕地生態安全是指在一定的時間和空間尺度內, 維持自身正常功能結構, 并且能夠滿足社會和經濟可持續發展狀態的需要; 此外, 在這種模式下, 充足、平衡的自然資源能夠讓生態系統得以利用, 這使得生態環境處于健康狀態[3]。當前, 在耕地生態安全方面的研究內容比較寬泛, 主要包括了耕地生態安全內涵、評價、影響因素以及調控等。對耕地生態安全問題的探索更傾向于食品安全問題、耕地資源利用和承載力的思考, 研究重點主要集中于化肥農藥對土壤的作用[4]、地力與復種指數[5]、農業動力對耕地安全的影響[6]等問題。其中基于調查數據、面板數據與構建模型(PSR模型等)結合的方法運用較多。國外關于耕地生態安全的相關研究大多是以預測土地利用變化和耕地質量變化為研究目的, 通過建立構建模型來評定耕地生態安全[7–8]。王燕輝[9]等運用PSR模型, 選取耕地生態系統壓力、狀態和響應3個準則層, 人口自然增長率、土地墾殖率和農業機械化水平等17個指標層, 并采用熵值法和阻力診斷模型, 對河北省生態安全狀況進行了評價分析。蘇剛等[10]通過PSR模型建立耕地生態安全評價指標體系, 對河北省黃驊市耕地生態安全阻力因素進行分析, 由于指標阻力度有較大的上升趨勢, 人均耕地面積、單位耕地化肥負荷、和人口密度等, 成為制約黃驊市耕地生態系統安全狀況改善的主要因素。王耕等[11]通過對區域生態安全演變過程問題的分析, 提出了一種生態安全機理框架, 即狀態—隱患—響應(S—D—R)模式, 并且與“三生”角度下的多維空間相結合, 構建了多層次評價指標體系, 為生態安全動態變化及演變趨勢評價提供了思路。我國關于耕地生態安全評價研究仍處于發展階段, 指標選取與評價方法不成熟, 并且對大尺度區域研究較多, 對小尺度區域研究較少。

本研究在PSR模型的基礎上, 從“壓力—狀態—響應”三個方面對寧波市南郊具有耕地的鄉、鎮、街道的耕地生態安全進行評價, 采用熵權法[12]計算各個指標的權重, 結合ArcGIS進行時空格局分析。

1 研究區概況

寧波市南郊是傳統商品糧基地, 耕地質量較高。地理位置特殊, 屬于城鄉接合部, 由于受到城鄉之間特定的因素所影響, 即空間過程和空間擴展因素, 建設用地與農用地矛盾突出, 農產品的商品化程度比較高。為探索其耕地生態安全狀況, 以寧波市南郊為研究區域。

2016年9月寧波市對鄞州區行政區劃進行了調整, 而本文研究區為老鄞州區范圍, 為了避免混淆, 將研究區統稱為寧波市南郊。寧波市南郊位于浙江省東部沿海, 東經121°08'—121°54', 北緯29°37'—29°57'之間。地處長江三角洲南部, 東臨北侖港, 南至奉化, 北隔上海, 西靠杭州和紹興。寧波市南郊屬于亞熱帶溫潤季風氣候, 瀕臨東海, 四季特征較為明顯。中部是廣闊的平原, 東南部和西部地貌為山地丘陵總形勢呈馬鞍狀。寧波市南郊因新型城鎮化建設與工業化發展, 人口的增多, 人地矛盾日益尖銳, 2005年耕地面積32062.313 hm2, 2014年耕地面積30090.62 hm2。在本區域內, 耕地的生態問題逐漸凸顯。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本文數據主要來源于2005—2014年《寧波市統計年鑒》、2005—2014年《鄞州區統計年鑒》、寧波市土地利用總體規劃(2006—2020); 寧波市政府網站公布的土地利用相關數據和相關研究報告及寧波市國土部門、農業部門相關資料。

2.2 研究方法

基于寧波市南郊小尺度區域及農產品商品程度化高和食品安全角度下, 選取代表性指標, 通過層次分析法及PSR模型的結合, 運用相關指標, 建立總與決策有關的元素層次。

2.2.1 指標體系構建 耕地生態系統既要滿足社會經濟可持續發展, 又要能夠維持自身的正常結構功能。所以, 耕地資源的生態安全需要滿足兩個條件: 一是人類能夠獲得持續穩定的耕地資源來滿足其生存和發展; 二是在利用耕地資源過程中, 耕地生態系統始終保持結構合理和功能完善[13–14]。在此基礎上構建指標體系, 參考相關研究[15–17], 結合寧波市南郊區域實際, 考慮小尺度區域數據的可獲得性, 從耕地生態系統壓力、狀態和響應三個方面, 篩選出了12個對耕地生態安全有顯著影響的指標, 構建指標體系(表1)。

2.2.2 指標標準化處理 對于量綱不同即度量單位不同的評價指標, 為了使數據的指標具有可分析性、對比性, 需要對各項指標進行標準化處理, 采用的方法為極差標準化。

正向指標安全值, 數值越大表明該地區耕地生態越安全:

負向指標安全值, 數值越大表明該地區耕地生態越不安全:

2.2.3 指標權重的確定 根據不同評價指標的選取, 對耕地生態安全影響程度也會不同, 需要對各個指標權重進行賦值。為了能夠減少非相關因素的干擾, 讓評價指標權重更具有科學性和嚴謹性, 對各項指標權重的確定將采用客觀賦權法中的熵值法。

計算各指標的信息熵, 計算公式:

計算評價指標的權重值, 計算公式:

2.2.4 耕地生態安全指數計算 采用綜合指數法對區域內的耕地生態安全進行評價, 綜合指數法依據各項指標、權重、標準值來評價耕地的生態安全程度。

各子系統生態安全指數計算公式:

綜合生態安全指數計算公式:

表1 耕地生態安全評價指標體系

2.2.5 耕地生態安全分級評價標準 在前人研究的基礎上, 參考相關文獻[18–19], 結合寧波市南郊的實際情況, 耕地生態系統的完整性、受干擾程度、生態問題狀況等綜合特征, 根據計算所得到的寧波市南郊耕地的綜合安全指數, 基于模糊隸屬度將耕地生態安全指數分為5個等級, 分級標準見表2。由于研究區域較小, 區域差異不明顯, 生態安全綜合值跨度較小, 其分級標準不同于大尺度研究。

2.2.6 探索性空間數據分析—局部自相關 局部自相關用來研究空間地域單元局部的相關性質, 對局部地區是否存在變量集聚現象的檢驗采用局域莫蘭指數(LISA)。局部莫蘭指數高值則表明在空間集聚中出現了相似變量的面積單元(高值或低值), 低值則表明在空間集聚中出現了不相似變量的面積單元。為了度量地域單元與周圍地域單元之間的相關性, 通常用地域單元的局部莫蘭指數來表示。公式為:

3 結果與分析

3.1 時間序列分析

寧波市南郊2005—2014年耕地生態安全指數為0.3348—0.5587, 生態安全經歷了“較安全—臨界安全—較不安全—安全”的過程, 整體呈現生態安全逐漸好轉的趨勢。2005年到2008年, 生態安全指數普遍較高, 在0.4539—0.5299。2009年到2012年, 生態安全指數普遍偏低, 在0.3348—0.4035。從數據統計來看, 本階段單位耕地化肥、農藥、農膜等物資大量增加, 化肥施用量從2009年646.18 kg·hm-2增加到2012年648.88 kg·hm-2, 農藥使用量從2009年32.34 kg·hm-2增加到2012年33.87 kg·hm-2, 農膜使用量從2009年49.33 kg·hm-2增加到2012年49.53 kg·hm-2。這段期間隨著使用量增大導致耕地生態環境受到影響, 持續惡化。2009年到2011年耕地生態安全狀態均處于臨界安全, 2012年生態安全處于較不安全。其中, 2012年耕地生態安全指數最低為0.3348。2012年以后, 耕地生態安全指數逐漸上升, 2014年生態安全指數達到最高值0.5587, 處于安全狀態。為統籌耕地建設和保護工作, 在經濟社會可持續發展過程中, 需要國土資源提供后續保障, 浙江省政府針對此問題, 決定對相關的土地進行整治, 提高土地利用效率, 組織實施土地整治工程, 即“812”土地整治工程。在2013年到2017年這五年時間, 在浙江省內計劃實施墾造耕地53333.33 hm2、建成高標準基本農田695333.33 hm2、綜合整治農村建設用地13333.33 hm2, 2014年寧波市鄞州區“812”高標準基本農田建設實施實際完成3401 hm2。除政策支撐外, 2012年到2014年期間, 本階段單位耕地化肥、農藥等物資有所減少, 化肥施用量從2012年655.27kg·hm-2降低到2014年647.38 kg·hm-2, 農藥使用量從2012年34.20 kg·hm-2降低到2014年30.01 kg·hm-2, 土地墾殖率從2012年22.9%上升到23.0%, 耕地糧食單產從2012年6265.94 kg·hm-2增加到2014年6313.30 kg·hm-2, 城市人口比例從2012年34%上升到2014年37%。期間使用量下降使得耕地生態環境得到改善, 單位耕地面積的利用率和產出率上升, 生態安全呈現好轉的趨勢。這是由各級政府采取的一系列積極措施, 注重耕地的保護制度和質量建設, 穩步提高農業綜合生產能力, 在一定程度上促進耕地生態質量的改善。

表2 耕地生態安全分級與特征

圖1 2005—2014年寧波市南郊耕地生態安全指數變化

Figure 1 Comprehensive security value of ecological security of cultivated land in the southern suburbs of Ningbo in 2005-2014.

3.2 空間序列分析

2005年—2014年近十年期間, 研究區域內耕地生態安全指數有明顯上升的變化, 東部地區和西部地區耕地生態安全皆有好轉。其中, 西部地區的橫街、鄞江和古林由較安全區上升為安全區, 章水和龍觀由臨界安全區上升為較安全區; 東部地區的咸祥由較安全區上升為安全區, 鐘公廟由不安全區上升為較不安全區, 下應由較不安全區上升為較安全區, 東錢湖由較安全區下降為臨界安全區。

2005年(見圖2)安全區和較安全區的分布占主要部分, 包括了姜山、云龍、橫街、古林、鄞江、洞橋、東錢湖、東吳、塘溪和咸祥, 占到區域面積的52.92%。區域內單位耕地面積化肥、農藥等負荷量較低, 自然條件相對較好, 土壤肥沃, 環境壓力小, 生態問題不顯著。臨界安全區分布在地區東西兩側較分散, 包括了章水、龍觀、高橋、集士港、石碶、邱隘、五鄉、橫溪和瞻岐, 占到區域面積的44.23%。人口多, 耕地面積少, 耕地面臨的人口壓力大, 土壤肥力下降, 受到干擾后環境容易遭到破壞, 生態問題開始顯現。較不安全和不安全區主要分布在東部以北, 包括了下應和鐘公廟, 占到區域面積的2.85%。區域內工業企業較多, 導致區域內生態環境惡化, 耕地生態環境功能退化。2005年寧波市南郊的耕地生態安全指數等級處在0.45以上, 表明這些街道的耕地生態系統尚穩定, 可以發揮基本的耕地生態功能, 其中臨界安全以上街道占到97.15%, 鐘公廟狀況不樂觀, 總體而言, 寧波市南郊的耕地生態安全良好。

2008年(見圖2)安全區和較安全區分布在東部居多, 包括了姜山、云龍、咸祥、東錢湖、五鄉、東吳、瞻岐、塘溪、橫街、鄞江、高橋、古林、石碶, 占到區域面積的66.97%, 咸祥由較安全區上升到安全區。臨界安全區在東部和西部皆有分布且較分散, 包括了龍觀、洞橋、集士港、下應、邱隘和橫溪, 占區域面積的21.96%, 下應由不安全區上升到臨界安全區。較不安全區分布在地區西部, 只有章水, 占到區域面積10.12%, 章水由臨界安全區下降到較不安全區。不安全區分布在東部, 為鐘公廟, 占到區域面積的0.95%, 較上時期沒有發生生態安全變化。本時期生態安全指數偏高, 耕地質量得到了改善, 生態壞境基本穩定。2008年寧波市南郊的耕地生態安全指數等級處在0.50以上, 表明這些街道的生態安全狀況較好, 其中較安全以上街道占66.97%, 章水和鐘公廟耕地生態安全呈下降趨勢, 狀態不容樂觀, 寧波市南郊的耕地生態安全狀況有所上升。

2011年(如圖2)較安全區占大部分區域, 包括了橫街、鄞江、洞橋、石碶、姜山、云龍、橫溪、塘溪、咸祥、瞻岐、東吳和五鄉, 占到區域面積的58.55%, 姜山、云龍和咸祥由安全區下降為較安全區。臨界安全區向東部和西部擴展, 包括了章水、龍觀、高橋、古林、鐘公廟和東錢湖, 占到區域面積的34.06%, 臨界安全區的分布出現了較大的調整。較不安全區和不安全區分布在東部以北和西部以北, 包括了集士港、邱隘和下應, 占到區域面積的7.39%, 下應由臨界安全區下降到不安全區。本時期的生態環境質量良好, 農業廢棄物循環利用方式得到了改善, 減少了秸稈的焚燒數量, 增加了土壤肥力, 并實行了生態農業工程, 減少了農藥使用量, 降低了農藥殘留, 使得安全區和較安全區占到了區域面積的一半以上。2011年寧波市南郊的耕地生態安全指數等級處在0.38以上, 表明這些街道的耕地生態安全系統尚穩定, 可以發揮其基本的耕地生態功能, 其中臨界安全以上的街道占到92.61%, 集士港、邱隘和下應耕地生態安全下降較為明顯, 狀態較嚴重, 總體而言, 寧波市南郊的耕地生態安全有所下降。

2014年(如圖2)安全區分布在東部的有姜山、云龍和咸祥, 分布在西部的有橫街、鄞江和洞橋, 占到區域面積的27.69%, 云龍、咸祥、橫街、鄞江和洞橋由較安全區上升為安全區。較安全區占主要成分, 包括了龍觀、章水、高橋、石碶、下應、五鄉、東吳、瞻岐、塘溪和橫溪, 占到區域面積的52.31%, 安全區和較安全區占到區域面積的一半以上。臨界安全區分布在西部以北和東部以北的區域, 包括了集士港、古林、邱隘和東錢湖, 占到區域面積的19.05%。較不安全區分布在東部, 只有鐘公廟, 占到區域面積的0.95%。本時期不存在不安全區域, 生態安全指數為最高, 生態環境保持在較好的水平, 耕地生態系統結構完善, 功能較強, 生態問題不顯著。2014年寧波市南郊的耕地生態安全指數等級處在0.56以上, 表明這些街道的耕地生態安全狀況較好, 其中安全街道占27.69%, 寧波市南郊的耕地生態安全狀況趨向好轉。

3.3 局部自相關

利用GeoDA軟件繪制出2005、2008、2011和2014年寧波市南郊耕地生態安全指數LISA聚類圖, 并且通過P≤0.05的顯著性檢驗。分析LISA聚類圖可以發現: ①從數量上看, 在99.5%置信度水平下存在空間顯著聚類的鄉鎮街道, 2005年有4個, 其中H—H顯著聚類區域有1個, L—L顯著聚類區域有1個。2008年有2個, 且都是L—H顯著聚類區域。2011年有5個, 其中H—H顯著聚類區域有1個, L—L顯著聚類區域有1個。2014年顯著聚類區域有2個, 其中L—L顯著聚類區域有1個, 沒有H—H顯著聚類區域。②從空間分布上看, 2005、2008、2011和2014年的高—高顯著聚類較少且分散, 不同年份顯著集聚區略有不同, 主要集中分散在云龍和洞橋, 該類區域的特點是耕地生態系統結構完善, 功能強, 植被覆蓋率高, 生態問題不顯著; 低—低顯著聚類主要分布在東部地區的邱隘。該類區域的特點是耕地系統生態結構相對不夠完善, 生態問題較多。

圖2 寧波市南郊耕地生態安全空間格局變化

Figure 2 Spatial pattern of cultivated land ecological security in the southern suburbs of Ningbo

圖3 2005、2008、2011、2014 LISA聚集

Figure 3 LISA cluster map

4 結論與討論

基于壓力—狀態—響應(PSR)模型構建指標體系, 選取熵值法對各指標賦予權重, 嘗試著對小尺度區域內的耕地資源進行生態安全評價, 運用綜合指數法計算耕地生態安全指數。得出的結論如下:

(1)人均耕地面積、人均糧食占有量、土地墾殖率比重等指標權重最大, 要提高寧波市南郊耕地生態安全狀況的重要方式是減少人類活動對生態環境的干擾, 減少耕地沙化、堿化的現象, 降低農業污染, 以利于耕地資源數量和質量的提高。

(2)2005—2014年寧波市南郊耕地生態安全狀況經歷了“較安全—臨界安全—較不安全—安全”的過程, 水平總體上呈良好的狀況, 變化幅度較小, 整體處于平穩的趨勢。大部分(47.62%)的鄉鎮街道增幅均保持在10%以內, 38.10%的鄉鎮街道耕地生態安全指數呈現下降趨勢。

(3)寧波市南郊耕地生態安全狀況在空間分布上存在明顯的區域性差異。東部耕地資源生態安全狀況差異最為明顯, 姜山、云龍和咸祥的耕地生態安全狀態較好, 鐘公廟、邱隘和東錢湖的耕地生態安全狀態較低。西部橫街、鄞江和洞橋耕地生態安全狀態較好, 其次是章水、龍觀、高橋和石碶地區, 集士港和古林較低

(4)寧波市南郊生態安全指數具有較大的空間集聚性。高—高聚類較低—低聚類有些分散, 不同年份顯著聚集區有所不同, 主要分布在云龍和洞橋; 低—低聚類主要分布在邱隘。

通過研究發現, 寧波市南郊耕地生態安全狀態逐漸好轉, 其中東錢湖生態安全狀態有所下降, 由于受到人類活動壓力威脅較大, 尤其以邱隘為中心的地區, 生態安全指數呈現低—低集聚, 耕地生態安全狀況差的地區相互影響, 因此該類地區應促進經濟和生態的協調發展, 大力倡導嚴格保護耕地、節約集約用地、統籌協調利用和可持續利用等原則, 增強該地區整體的耕地生態安全。姜山、云龍耕地生態狀況較好, 應繼續保持生態系統穩定, 結構完善, 維持耕地生態安全較好的狀態。

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Evaluation of cultivated land ecological security and spatial-temporal pattern evolution based on PSR model

ZHAO Ke, LI Wei fang*, MAO Jingxu, KOU Xiangwei, YIN Changxia

Department of Geography and Spatial Information Technology, Ningbo University, Ningbo 315211, China

The ecological security of cultivated land is related to the sustainable development of the region. According to the present situation of cultivated land ecological security, the small scale area in the southern suburb of Ningbo is taken as the research object. Based on the interaction mechanism between human and cultivated land, the evaluation system suitable for the study area was constructed by PSR model. The entropy weight method and comprehensive evaluation method were used to evaluate the cultivated land ecological security status in the southern suburbs of Ningbo City during 2005-2014. The results are as follows. (1) From the time scale point of view, the cultivated land ecology of the southern suburbs of Ningbo City in 2005 and 2014 was analyzed by the entropy weight method and the comprehensive evaluation method. The ecological security status of cultivated land in the southern suburbs of Ningbo City was analyzed from 2005 to 2014. Safety has undergone a "safer-critical safety-less insecure-safe" phase of change. (2) From the perspective of space, there were obvious regional differences in ecological security of cultivated land in towns and villages. The overall level of the western region was higher than that of the eastern region, with the lowest in the north of the eastern part. The ecological security index of the southern suburbs of Ningbo City changed little in 2005-2014. The ecological security index of the southern suburbs of Ningbo showed significant spatial concentration and high-high clustering less significant, low-low clustering significantly stronger.

cultivated land ecological security; PSR model; temporal and spatial evolution; the southern suburb of Ningbo City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.024

F323.21

A

1008-8873(2019)01-186-08

2017-09-28;

2017-12-05

浙江省社會科學重點研究基地2015年度省社科規劃項目(15JDHY01YB)資助; 寧波大學大學生科技創新項目(2017200000003)

趙柯(1993—), 男, 浙江寧波人, 碩士研究生, 研究方向: 土地資源管理與規劃研究。E-mail：zhaoke10271210@163.com

李偉芳(1964—), 男, 浙江寧波人, 教授, 主要研究方向: 土地資源管理與規劃研究。E-mail: liweifang@nbu.edu.cn

趙柯, 李偉芳, 毛菁旭,等. 基于PSR模型的耕地生態安全評價及時空格局演變[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 186-193.

ZHAO Ke, LI Wei fang, MAO Jingxu, et al. Evaluation of cultivated land ecological security and spatial-temporal pattern evolution based on PSR model[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 186-193.